الوحدة الثالثة: تنوع الصفات في الكائنات الحية

• انظر إلى أفراد أسرة واحدة: يشبه الأبناء والديهم في ملامح، ويختلفون في ملامح أخرى.
• ويسأل علم الوراثة: كيف تنتقل المعلومات الوراثية من الآباء إلى الأبناء؟
• ولماذا يتشابه أفراد الأسرة في بعض الصفات ويختلفون في أخرى؟
• ولماذا يختلف البشر عمومًا في صفاتهم؟

تُخزَّن المعلومات الوراثية في خلايا الإنسان على هيئة مادة كيميائية تسمى المادة الوراثية أو الحمض النووي (DNA). وهي موجودة داخل نواة الخلية.

• جزيء DNA طويل جدًا، لذلك يلتف حول جزيئات من البروتينات ليكوّن تراكيب خيطية تسمى الكروموسومات.
• المادة الوراثية المكونة للكروموسوم تنقسم إلى أجزاء أو مقاطع محددة، يُسمى كل منها الجين.

الجين: جزء من المادة الوراثية (DNA) يحمل المعلومات الوراثية المسؤولة عن ظهور صفة معينة، مثل لون العينين أو ملمس الشعر أو طول الجسم.

العلاقة بين الثلاثة:

• النواة تحتوي الكروموسومات، والكروموسوم يتكوّن من DNA ملتف حول بروتينات، والجين مقطع من DNA على الكروموسوم يتحكم في صفة.

تنتقل الصفات من الآباء إلى الأبناء عن طريق الجينات التي تحملها الأمشاج (الجاميتات).

1. يكوّن كل من الأبوين أمشاجًا: الحيوان المنوي في الأب والبويضة في الأم، عن طريق الانقسام الميوزي في المناسل.
2. يحمل كل مشيج نصف المادة الوراثية؛ فيحمل نسخة واحدة فقط من كل جين مسؤول عن صفة.
3. عند الإخصاب تندمج نواة المشيج المذكر مع نواة المشيج المؤنث فيتكوّن فرد جديد يمتلك نسختين من كل جين: واحدة من الأب وواحدة من الأم.

بهذا يرث الابن نصف صفاته الوراثية من الأب ونصفها من الأم، وهو ما يفسر شبهه بهما.

افترض أربعة أفراد A و B و C و D في أسر مختلفة:

الاستنتاجات:

• عند تماثل النسختين تظهر الصفة نفسها (A بنية، D زرقاء).
• عند اختلافهما (B و C) تظهر صفة واحدة فقط هي البنية؛ أي أن أليل العيون البنية سائد على أليل العيون الزرقاء.

• الأليل: كل نسخة من الجين نفسه. وقد يكون للجين الواحد أكثر من أليل.
• لكل صفة وراثية يحصل الفرد على أليلين من الجين المسؤول عنها: أحدهما من الأب والآخر من الأم.
• الأليل السائد: الأليل الذي يُظهر تأثيره بوضوح في الصفة الظاهرة عند وجود أليل آخر مختلف معه.
• الأليل المتنحي: الأليل الذي يختفي تأثيره تمامًا في وجود الأليل السائد.
• مبدأ السيادة التامة: ظهور صفة الأليل السائد على الفرد واختفاء الصفة المضادة لها.
• الطراز المظهري: الصفة الوراثية الظاهرة على الفرد والتي يمكن ملاحظتها.
• الطراز الجيني: التركيب الوراثي للفرد، أي نوع الأليلات التي يحملها.
• فرد نقي (متماثل الأليلين): أليلاه متماثلان (مثل BB أو bb).
• فرد هجين (مختلف الأليلين): أليلاه مختلفان (مثل Bb).

• نرمز للأليل السائد بحرف كبير (عادةً الحرف الأول من اسم الصفة بالإنجليزية)، وللأليل المتنحي بالحرف الصغير المقابل.
• مثلًا: B للعيون البنية (السائدة) وb للعيون الزرقاء (المتنحية).

ملاحظات:

• ظهور الصفة السائدة يكفيه أليل سائد واحد (BB أو Bb).
• ظهور الصفة المتنحية يتطلب زوجًا متماثلًا من الأليل المتنحي (bb).
• فردان قد يتشابهان في الطراز المظهري (عيون بنية) ويختلفان في الطراز الجيني (BB و Bb). (اختلاف الطراز الجيني سبب قد يؤدي إلى اختلاف الطراز المظهري كنتيجة).

حاول العلماء تفسير كيفية انتقال الصفات بين الأجيال إلى أن أجرى جريجور مندل (1822 - 1884) في القرن التاسع عشر سلسلة تجارب منظمة على نبات البازلاء.

لماذا اختار مندل نبات البازلاء؟

1. له صفات وراثية متضادة (متقابلة) واضحة يسهل التمييز بينها.
2. يسهل التحكم في عملية التلقيح بين نباتاته.

الصفات المتضادة السبع في البازلاء:

منهج مندل:

• أجرى عمليات تهجين (تزاوج) بين نباتات تختلف في صفة واحدة تظهر في صورتين متضادتين، بعد أن تأكد من نقاء كل منهما (كنبات طويل نقي × نبات قصير نقي).
• ومن تحليل النتائج توصل إلى أن الصفات الوراثية لا تنتقل عشوائيًا كما كان يُعتقد، بل وفق أنماط منظمة يمكن تفسيرها رياضيًا، وهي الأساس الذي يقوم عليه علم الوراثة الحديث.

رموز تجارب الوراثة: الآباء (P) ، التزاوج (×) ، الفرد المذكر (♂) ، الفرد المؤنث (♀) ، الأمشاج (G) ، الجيل الأول (F₁) ، الجيل الثاني (F₂).

عند تزاوج فردين نقيين في زوج من الصفات الوراثية المتضادة، تظهر في أفراد الجيل الأول صفة أحد الأبوين فقط (الصفة السائدة) بنسبة 100%، وعند تزاوج أفراد الجيل الأول فيما بينها تظهر الصفتان في أفراد الجيل الثاني بنسبة 3 (سائدة) : 1 (متنحية).

لون البذور: الأصفر (Y) سائد على الأخضر (y). تزاوجت نباتات بذورها صفراء نقية (YY) مع نباتات بذورها خضراء (yy):

• كل صفة يتحكم فيها زوج من العوامل الوراثية (الأليلات).
• ينعزل زوج الأليلات لكل أب عن بعضهما أثناء تكوين الأمشاج، فيحمل كل مشيج أليلًا واحدًا فقط: الأب YY ينتج Y ، والأب yy ينتج y.
• عند الإخصاب يجتمع أليل من كل أب: Yy (هجين، بذور صفراء 100%).
• عند تزاوج نباتين من F₁ (Yy × Yy): ينتج كل منهما مشيجين Y و y بنسبة 1:1.

أداة لتوقع الطرز الجينية والمظهرية المحتملة للأبناء. خطواته:

1. نحدد الأمشاج الممكنة لكل أب (عدد الخلايا = أنواع أمشاج الأب الأول × أنواع أمشاج الأب الثاني).
2. نرسم جدولًا؛ أمشاج أحد الأبوين أفقيًا والآخر رأسيًا.
3. نملأ كل خلية بدمج أليل من الأب الأول مع أليل من الأب الثاني.
4. نقرأ الطرز الجينية ثم المظهرية والنسب.

• الطرز الجينية: 1 YY : 2 Yy : 1 yy (25% : 50% : 25%).
• الطرز المظهرية: 3 بذور صفراء : 1 بذور خضراء (75% : 25%).

• الطرز الجينية: 50% Aa : 50% aa.
• الطرز المظهرية: 50% جانبية : 50% طرفية (1 : 1).

إذا تزاوج فردان نقيان يختلفان في زوجين أو أكثر من صفاتهما المتضادة، فإن صفتي كل زوج منهما تُورَّث بصورة مستقلة، وتظهر كل صفة على حدة في أفراد الجيل الثاني بنسبة 3 (سائدة) : 1 (متنحية).

الاستدارة (R) سائدة على التجعد (r) ، والأصفر (Y) سائد على الأخضر (y). تزاوج نبات مستدير أصفر نقي (RRYY) مع مجعد أخضر (rryy):

• F₁: كل الأفراد RrYy (مستديرة صفراء 100%) بسبب السيادة التامة.
• عند تزاوج F₁ × F₁ (RrYy × RrYy) ينعزل كل زوج من الأليلات ويتوزع على الأمشاج مستقلًا عن الزوج الآخر، فينتج كل نبات 4 أنواع من الأمشاج بنسب متساوية: RY ، Ry ، rY ، ry.
• يتكوّن مربع بانيت من 16 خلية (4 × 4).

الطرز المظهرية في F₂ (النسبة 9 : 3 : 3 : 1):

بيان الاستقلال:

• استدارة : تجعد = (9+3) : (3+1) = 12 : 4 = 3 : 1 ، وأصفر : أخضر = (9+3) : (3+1) = 3 : 1.
• أي أن شكل البذور يورَّث مستقلًا عن لونها.

• يمتلك كل فرد تركيبًا جينيًا فريدًا يحدد صفاته الوراثية، وهذا يفسر التنوع الوراثي الكبير بين البشر.
• يساعد هذا التنوع على زيادة القدرة على التكيف مع الظروف البيئية المختلفة، ويضمن للإنسان البقاء عبر الزمن.
• ويحدث التنوع بسبب اختلاف الأليلات وتباين توزيعها بين الأفراد وبسبب اجتماع الأمشاج بصور مختلفة عند الإخصاب.

قد تحمل الجينات تغيرات أو عيوبًا وراثية تؤدي إلى ظهور مرض معين، وتسمى الأمراض الوراثية. قد تظهر منذ الولادة أو في مراحل لاحقة من العمر.

• في كثير من الأمراض الوراثية يكون الأليل المسبب للمرض متنحيًا (r) والأليل السليم سائدًا (R).
• الفرد (Rr) يبدو سليمًا ظاهريًا، ويسمى حامل المرض؛
• لا تظهر عليه أعراض لكنه قادر على توريث الأليل المرضي.
• ولا يصاب الطفل فعليًا إلا إذا ورث نسختين من الأليل المسبب للمرض: واحدة من الأب الحامل وأخرى من الأم الحاملة.

• 25% سليم غير حامل (RR).
• 50% سليم ظاهريًا حامل للمرض (Rr).
• 25% مصاب بالمرض (rr).
• أي أن احتمال ولادة طفل مصاب = 1 من 4، وهو احتمال يتكرر مع كل حمل.

• الثلاسيميا (أنيميا البحر المتوسط): تؤثر في إنتاج الهيموجلوبين في الدم فتسبب فقر دم بدرجات مختلفة.
• الجالاكتوزيميا: مرض نادر ينتج عن خلل في قدرة الجسم على تكسير سكر الجالاكتوز (أحد مكونات سكر اللبن)، فتحدث مشكلات عند الرضع كالقيء واصفرار الجلد والعينين وضعف النمو.

(الأمراض المعدية كالأنفلونزا ونزلات البرد والتسمم الغذائي ليست أمراضًا وراثية.)

تقنية طبية متطورة لفحص آلاف الجينات في وقت واحد بدلًا من فحص جين واحد، وتستخدم للكشف المبكر عن الخلل الجيني وبعض الأمراض الوراثية النادرة (للكشف لا للعلاج أو لتعديل الصفات).

العلاقة بين زواج الأقارب والأمراض الوراثية:

• يشترك الأقارب في جزء من الجينات الموروثة من أسلاف مشتركين.
• فإذا كان أحد هذه الجينات يسبب مرضًا وراثيًا متنحيًا، فإن احتمال أن يحمل الزوجان القريبان الأليل المسبب للمرض نفسه أكبر من احتماله لدى زوجين غير قريبين.
• وعندما يكون الزوجان حاملين للأليل المتنحي نفسه، يرتفع احتمال ولادة طفل مصاب (25% في كل حمل).
• لذلك تُوصي الجهات الصحية المقبلين على الزواج بإجراء الفحوص الطبية قبل الزواج.

الإرشاد الوراثي:

• برامج متخصصة تساعد الأسر على تقييم احتمالات انتقال الأمراض الوراثية؛
• يحلل المختصون التاريخ الطبي للعائلة، ويجرون فحوصًا جينية دقيقة، ويقدمون استشارات علمية تساعد على التخطيط الآمن للإنجاب، فيقل انتشار الأمراض الوراثية.

وسائل للحد من انتقال الأمراض الوراثية:

• (1) الفحص الطبي والجيني قبل الزواج، (2) الإرشاد الوراثي، (3) تجنب الزواج بين الأقارب عندما يكون في العائلة مرض وراثي، (4) نشر الوعي الصحي.

الجماعة الحيوية:

• مجموعة من الكائنات الحية من النوع الواحد تعيش في المكان نفسه في الوقت نفسه.
• دراسة الكائن الحي منفردًا لا تكفي لفهم نشاطه في النظام البيئي؛
• فلا بد من دراسة الجماعات.
• والجماعات غير ثابتة: فقد تستقر أعداد بعض الأنواع طويلًا، وقد تزداد بسرعة أو تنهار فجأة، وهذا يعكس تفاعل الكائنات مع العوامل البيئية.

يمر منحنى النمو بأربع مراحل:

1. مرحلة التكيف (الثبات النسبي): تكيف الأفراد القليلة مع البيئة الجديدة؛ يزداد العدد ببطء.
2. مرحلة النمو الأسي: في الظروف المثالية يتضاعف العدد بسرعة كبيرة (2 → 4 → 8 → 16 ...) ويمكن التعبير عنه 2¹ → 2² → 2³ → 2⁴ .... وهي أسرع مرحلة.
3. مرحلة تباطؤ النمو: تظهر عوامل تحد من النمو تسمى المقاومة البيئية.
4. مرحلة الثبات: يتوقف النمو عند حد معين يسمى السعة التحملية.

عوامل بيئية تحد من النمو عندما يزداد العدد، وتشمل: نقص الموارد (غذاء وماء ومساحة)، وزيادة حدة التنافس بين الأفراد على الموارد، وانتشار الأمراض والطفيليات بسرعة أكبر.

السعة التحملية: أقصى عدد من الأفراد من نوع معين يمكن للبيئة دعمه بشكل مستمر دون تدهور مواردها.

• إذا تجاوزت الجماعة السعة التحملية تتناقص الأعداد (نقص موارد، مرض، موت).
• وفي المحميات الطبيعية تُحدَّد السعة التحملية ويراقب العلماء أعداد الكائنات للتدخل عند الضرورة، فيمنعون الزيادة المفرطة أو الانخفاض الحاد حفاظًا على توازن النظام البيئي.

يتأثر نمو الجماعة بنوعين رئيسيين من العوامل:

• كل الظروف والمكونات الحية وغير الحية في البيئة المحيطة بالكائن، ومن أهمها: الغذاء والماء ودرجة الحرارة والأمراض والمفترسات والمساحة المتاحة.
• وهي من أكثر المؤثرات المباشرة في حجم الجماعة لأنها ترتبط بما يحتاجه الكائن للبقاء.

• عند ازدهار البيئة (وفرة الموارد): تزداد فرص البقاء والتكاثر فيزداد حجم الجماعة.
• عند تدهور البيئة (شح الموارد أو كثرة الأخطار): تنخفض الأعداد لقلة التكاثر أو زيادة الوفيات أو كليهما.

• هي الصفات الموروثة التي تنتقل من الآباء إلى الأبناء وتؤثر في قدرة الكائن على التكيف مع بيئته والبقاء والتكاثر فيها.
• فليست أفراد الجماعة متماثلة تمامًا، فهناك تباين وراثي قد يمنح بعض الأفراد قدرة أكبر على مواجهة ظروف البيئة.
• من أمثلتها: لون الفراء ومقاومة الأمراض وتحمل الحرارة المرتفعة أو البرودة الشديدة وقوة البصر أو الشم.

أيهما أسرع تأثيرًا؟

• العوامل البيئية غالبًا أسرع تأثيرًا (فقد تُحدث تغيرًا خلال موسم أو عام)، بينما يظهر تأثير العوامل الوراثية على مدى أجيال.

الانتخاب الطبيعي:

• عملية تنتقي فيها البيئة الأفراد الحاملين لصفات تلائم الظروف، فتكون فرصهم في البقاء والتكاثر أكبر ممن لا يمتلكون هذه الصفات، فتنتقل هذه الصفات "النافعة" إلى الأبناء وتزداد نسبتها في الجماعة.

لا يعني الانتخاب الطبيعي أن البيئة تمنح الكائن صفات جديدة، بل تنتقي صفات موجودة أصلًا لدى الأفراد وتساعدها على البقاء.

خطواته:

1. وجود تباين في الصفات بين الأفراد.
2. الأفراد ذوو الصفات المفيدة في بيئة معينة يعيشون أطول ويحصلون على فرصة أكبر للتكاثر.
3. تنتقل صفاتهم إلى الجيل التالي.
4. الأفراد الأقل ملاءمة تقل فرص بقائهم أو تكاثرهم.
5. بتكرار ذلك عبر أجيال متتابعة تزداد نسبة الصفات المفيدة وتقل نسبة الأقل فائدة.

• قبل الثورة الصناعية في أوروبا كانت جذوع الأشجار فاتحة اللون ومغطاة بالأشنات، فكانت الفراشات الفاتحة أقل وضوحًا للمفترسات فبقيت أكثر، وقلّت أعداد الفراشات الداكنة.
• بعد الثورة الصناعية أدى تلوث الهواء إلى اسوداد الجذوع واختفاء الأشنات، فصارت الفراشات الفاتحة أوضح للمفترسات والفراشات الداكنة أقل عرضة للافتراس، فزادت أعداد الداكنة مع مرور الوقت وقلّت الفاتحة.

الدرس:

• الصفة نفسها قد تكون مفيدة في بيئة ومضرة في أخرى.
• تغير البيئة يؤدي إلى زيادة انتشار صفة وتراجع صفة أخرى.
• والانتخاب الطبيعي عملية تراكمية تحدث عبر أجيال متعاقبة وتغيّر صفات الجماعة تدريجيًا.

تطبيق حياتي: الأشنات تُستخدم مؤشرًا حيويًا للتلوث؛ وجودها أو اختفاؤها يدل على جودة الهواء.

الانتخاب الصناعي:

• عملية يقوم فيها الإنسان باختيار أفراد من النباتات أو الحيوانات التي تمتلك صفات مرغوبة، ثم يعمل على تزاوجها أو إكثارها للحصول على نسل يحمل هذه الصفات بدرجة أكبر.

أمثلة:

• اختيار نباتات تعطي ثمارًا أكبر حجمًا، واختيار ذكور الأبقار الأعلى إنتاجًا للحم، وإناث الأبقار الأعلى إنتاجًا للبن وإكثارها، واختيار الدجاج الأكثر إنتاجًا للبيض، واختيار كلاب ذات صفات شكلية أو سلوكية معينة.
• باستمرار الإكثار عبر أجيال تتحسن السلالة ويزيد متوسط الإنتاج.

• يسعى الإنسان للحفاظ على الصفات الوراثية المفيدة في النبات والحيوان لتحسين الإنتاج أو الحفاظ على السلالات الجيدة أو دعم الأمن الغذائي.
• وتنقسم الوسائل إلى:

1. تقنيات تقليدية: تهجين السلالات الجيدة واختيار أفضل النباتات للزراعة.
2. تقنيات حديثة: مثل حفظ الأجنة وزراعة الأنسجة. تسهم زراعة الأنسجة في إنتاج نباتات خالية من الأمراض وفي بعض التطبيقات العلاجية والبحثية، وتساعد البنوك الوراثية في حفظ الأمشاج والخلايا والسلالات المهمة لدعم العلاج والبحث وحماية التنوع الحيوي.

• للانتخاب الصناعي أثر في تحسين السلالات وزيادة الإنتاج، لكنه قد يسبب تقليل التنوع الوراثي؛
• فإذا تشابهت الأفراد وراثيًا فقد يهددها مرض أو تغير بيئي واحد فتبيد أفرادًا كثيرة معًا، لأنه لا توجد صفات متنوعة يمكن أن تنقذ بعضها.
• فلا بد من استخدام واعٍ يوازن بين تحسين الإنتاج والمحافظة على التنوع.

ملخص الوحدة:

• المعلومات الوراثية على جينات الكروموسومات في DNA، وتنتقل بالأمشاج؛
• لكل صفة أليلان أحدهما من كل أب؛
• السائد يُظهر أثره والمتنحي يختفي؛
• قانونا مندل: انعزال العوامل (3:1) والتوزيع الحر (9:3:3:1)؛
• مربع بانيت يتنبأ بالنسب؛
• الأمراض الوراثية تنتقل بأليلات متنحية بين الحاملين وتزيد في زواج الأقارب؛
• الجماعات تنمو أسيًا ثم تستقر عند السعة التحملية؛
• العوامل البيئية والوراثية تؤثر في النمو؛
• الانتخاب الطبيعي تقوده البيئة والانتخاب الصناعي يقوده الإنسان.